宇宙和生命-第933部分
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所有常规的空间推进系统（这里我指的是不利用空间本身的
某些奇异特性——诸如卷曲或蛀洞——的发动机），必须符合牛
顿的第三运动定律。这条定律是：“所有的作用力都存在一个大
小相等、方向相反的反作用力。”在这方面，飞船与喷气式飞机
或气垫船没什么两样。喷气机尾部喷射燃气，推动飞机往前进——原理很简单。
正文 第八十九章 地外文明探秘（2）
对星际探索者来说，困难不在于这一系统本身，
而是一个量值问题。要在一个人的有生之年抵达最近的恒星，飞
船必须由一个强大的装置提供必要的加速度。
迄今为止，我们研究出来的空间交通工具全都采用化学推进
——把燃料混合在一起反应产生能量，喷射注入发动机一端的很
小的小孔，推动飞船向前进。这与喷气机的推进原理大同小异。
我们制造的空间交通工具的最大能量需求是逃离地球引力所
需的能量——要达到所谓的逃逸速度（从地球逃逸的速度大约为
11千米／秒）。这是“土星5号”火箭运送有效负载进人地球轨
道，顺利实现抵达月球的第一步所需的能量，或者说是将航天飞
机或“阿利亚娜号”火箭以及它们的有效负载送人轨道所需要的
能量。一旦进人太空，那里几乎呈真空状态，引力也弱得多，事
情就好办多了，例如飞往月球的阿波罗飞船一旦进人轨道，就只
需要相对较小的发动机和推进器从它们的排气口排出热气，调节
航线就行了。不然的话，飞船将完全任凭地球大气层外的引力摆
布。
这种形式的推进代表我们今天的水平。一些无人驾驶的飞船
利用太阳能或小型核反应器产生能量发动飞船上的机器，但化学
能目前仍然是推进系统的主要能源形式。尽管如此，下一步更精
湛的技术水平——很可能就在不远的将来——将是某种形式的人
工操纵的裂变动力装置宇宙飞船发动机。
核裂变是地面核反应堆和核潜艇的动力源，是最早的原子弹
爆炸释放巨大能量的罪魁祸首。当大量不稳定的原子核衰变时，
我们就说它们经历了核裂变，结果是释放出能量。这一能量的大
小取决于发生裂变的材料的质量大小。这可以用堪称历史上最著
名的公式计算出来（也是爱因斯坦导出的）：E＝mc2，其中m等
于物质的质量，而c为光速。
核裂变是我们今天掌握的、能够控制的最强大的能源。它在
生产供家庭、办公室和工厂用电的能源中所占的百分比日益增加。
虽然它有一定的危险性，特别是其废料（主要是钚239，它的半
衰期为 24 000年）。②尽管发生灾难事件的风险始终伴随着核
裂变，它却是一种非常适用的有潜力的能源。由于核裂变永远无
法满足在恒星之间实际旅行所需的巨大能量，因此在关于空间飞
行能源需求的探讨中，核裂变只能在其起步阶段——行星之间旅
行时起重要作用。
让我们回到气泡的比拟上来。核裂变可以帮助生活在气泡中
的微小生物抵达气泡里面的任何地方，但是，如果它们想要越过
海洋抵达另一个气泡，核裂变的价值就很有限了。如果它们漂浮
在什么地方（比方说斐济附近），却要抵达美国，那么核裂变就
彻底地无济于事了。
即使在我们太阳系以内旅行，采用核裂变也决不是一蹴而就
的事。发动飞船所需的燃料量非常之大，使飞船几乎没有可载人
或装货的地方。此外，一旦发生事故，就像前苏联的切尔诺贝利
核电站（1986年8月6日出事爆炸，后果严重）事件那样，核能的
潜在致命射线更增加了空间旅行的危险。不妨想象一下，运气不
佳的航天飞机“挑战者号”把核原料运到轨道上，作为一架正在
建造的飞往火星的大飞船的能源。尽管可以研究出比较安全地运
输到轨道的技术，但多数人肯定会对这种计划感到不舒服。
一种更加强大的核能形式来自所谓的核聚变过程。早在1989
年，两位科学家，弗莱施曼（Martin Fleischamnn）和庞斯
（Stanley Pons）宣布他们发明了一种称作“冷聚变”的技术。
它只需一对电极和一些装在罐里的普通化学试剂就行了。消息传
来，人们为之兴奋不已。不幸的是，他们的实验证明是不可重复
的，人们的注意力再度回到研究核聚变的常规努力上来。
聚变机制是太阳或任何恒星的动力源。在实验室里，聚变过
程把像氘和氚（它们是氢的重同位素）这种小的原子核聚合在一
起，产生巨额的能量。③
在几乎长达50年的时间里，科学家一直致力于研究核聚变—
—至今只取得了很有限的成功。核聚变有许多工作要做。它是一
种相对说来比较洁净的能源，因为它不使用像铀238这样危险的
放射性元素。铀238在现代快中子增殖反应堆里转变成钚239，它
具有产生远比核裂变的能量大得多的潜力。这些是该系统的优点，
不利之处是如何控制和效率的问题。
要产生核聚变，温度必须达到1000万摄氏度左右（相当于太
阳核心的温度），这样才能迫使带正电荷的原子核克服它们之间
的静电排斥力。这种聚变物质以过热等离子体的形式存在。它无
法保存在任何形式的物理容器里。此外，迄今引起聚变所需要的
能量比由此获得的能量还要远远大得多，这就意味着目前它的效
率是负的。
尽管有这一条公认的严重缺点，核物理学家还是希望能在不
远的将来解决这个问题。核聚变被视作最有希望解决日渐严峻的
地球资源危机的方法。可惜，即便是这一能源对于从地球出发的
恒星际旅行者来说用途也很有限。即使要达到光速的某个很小的
百分比，所需的聚变材料数量也大得惊人，根本无法实现。
据计算，要使一艘飞船加速到光速的5％所需的燃料几乎是
其质量的8倍。这还只是加速一次。如果飞船要停靠在目的地，
它将需要使用更多的燃料——整个质量再增大4倍。如果我们假
设往外飞行使用了一半燃料（质量为飞船生活舱和货舱质量的4
倍），另外还需要4倍于飞船质量的燃料。那么一次起飞和停泊
就需要＇8×；4×；飞船主体质量（不包括燃料）＇——或者说生活
舱加货舱质量32倍的燃料。
图15 使用核裂变和核聚变的飞船尺度大小比较。
绕过这个问题的一种可能的方法是采用聚变冲压式喷气发动
机。虽然我们把太空视为完全真空的，但实际上它含有氢原子，
它们稀疏地分布在恒星和行星之间。因此从理论上说，可以建造
一艘宇宙飞船，其一端附有很大的扇斗，收集氢原子作为燃料。
乍一看这个设计似乎根本不切实际。因为氢的分布非常稀薄
——太空中的物质太少，不能产生足够的动力。但是，假如飞船
运动得非常快，它就会像人在小雨中奔跑那样，淋得湿透，因为
他们一面奔跑一边迎着雨滴。或者说，像大海鲸一样一边游泳一
边吞食浮游生物。这样的交通工具看上去很笨拙，却能够为自己
提供动力，并以对行星际旅行来说相当可观的速度飞行。
因此，核聚变被视为我们有朝一日在太阳系的行星之间定期
旅行时最有可能采取的方法——假如控制和能源效率的
图16 聚变冲压式喷气发动机。
问题能够解决的话。它是一种适合在行星之间旅行时（要求
速度在每小时几十万千米）使用的燃料，使我们能够在几星期内
到达火星。但是，正如我们前面所述，行星之间的距离（在气泡
里旅行）与恒星之间的距离（在大海中旅行）是不可同日而语的。
利用聚变动力达到的速度，比方说，250 000千米／小时，我们
可以在2年左右的时间里到达我们太阳系的外缘。而要到离我们
最近的恒星则需要1000代人的时间才能完成单程旅行。即使这一
相对说来很平常的速度要维持这么长的时间，单是燃料需求就使
它绝无可能了。
除了比较常规的关于使用原子能的想法——核裂变和核聚变
都算在内，在近几十年里还有过几次试图发明不同寻常的系统，
以利用核技术（归根结底，核技术是我们掌握的最先进的能源）
来产生高速度的尝试。其中之一是想利用核爆炸的能量来推动飞
船向前进。
有人设计一种从理论上考虑的称做“奥利安”（Orion）的
飞船，它利用一组热核弹头，分别以每3秒钟一次的频率从飞船
的后面推动。爆炸将产生一种热离子，它冲击所谓的“推进板”，
推动飞船向前进。虽然这种方案还是在我们太阳系的范围内进行
核爆炸（假设确有办法使这种装置非常安全的话），估计这一系
统的效果最多可望达到光速的3％（2500万千米／小时）。要获
得这一速度，几乎需要300000枚一吨级的炸弹，这就使它几乎完
全不切实际了。
这些尝试中比较有希望的，可能是利用所谓反物质的奇特材
料。
宇宙中所有的物质都是由原子组成的。这些原子又由被称作
亚原子粒子的物质——中子和质子构成，它们全都存在于原子核
中，而电子则包围着原子核。这在20世纪初就已广为人知。这应
归功于诸如卢瑟福（Ernest Rutherfold）、查德威克（James
Chadwich）、普朗克（Max Plank）和其他先驱者的研究。20世
纪另外一位有影响的富有创新精神的物理学家狄拉克（Paul
Dirac），在1929年预言所有已知的亚原子粒子都有特性相反的
对应物。④它们被称为反粒子。
电子带负电荷，反电子（或正电子）具有相同的质量但是带
正电荷。一个反质子是带负电的。像质子一样，它存在于可被设
想为反原子的原子核里。但是对未来星际发动机工程师和设计师
来说，最重要的是当物质和反物质互相接触时，它们立即互相湮
灭同时产生能量。
在狄拉克时代，反物质只不过是一个理论概念，是他把量子
力学、电磁学和相对论的数学公式组合在一起时突然冒出来的。
因为它与物质一接触立即就湮灭了，所以在我们的宇宙中没有发
现自然状态的反物质；也一直无法通过实验来捕获它，直到最近
才有突破。今天，我们可以在粒子加速器里制造小批量的反物质
了。
要制造一个反质子，要把“正常的”质子送人粒子加速器环
里旋转。在加速器里，它们在强磁场中被加速，直到速度达到光
速的50％。然后，让它们与金属原子核相碰撞。这一过程产生粒
子和反粒子对（以及X射线和各种其他形式的能量）。然后，在
反质子和质子互相作用并彼此湮灭之前，将反质子与质子分离开
来。
然而，如此难于驾驭的稀有物质，怎么样才能用作推进剂呢？
显然，要利用这种资源，我们必须要能控制粒子和反粒子的互相
湮灭，并且利用这一过程产生的能量作为飞船的能源。实际上，
这样一个系统的简单装备早已在设计之中。其想法是将微量反物
质射人一个注满氢的中空的钨砖块里。粒子立即湮灭，释放的能
量使钨块加热。然后冷氢被挤压至该装置的中心，在那里被迅速
地加热到3000K，从发动机喷射出去，推动飞船前进。
图 17 反物质驱动装置。
反物质驱动的最大优点是只需很少的燃料即可产生有效的加
速度。最大的欠缺在于生产足够使用的反物质所遇到的困难�
